RU2416146C1 - Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления - Google Patents
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2416146C1 RU2416146C1 RU2009138961/09A RU2009138961A RU2416146C1 RU 2416146 C1 RU2416146 C1 RU 2416146C1 RU 2009138961/09 A RU2009138961/09 A RU 2009138961/09A RU 2009138961 A RU2009138961 A RU 2009138961A RU 2416146 C1 RU2416146 C1 RU 2416146C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- current
- input
- emitter
- circuit
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах). Технический результат: повышение в 8-20 раз коэффициента усиления по напряжению при выполнении двухполюсников нагрузки в виде сравнительно низкоомных (600-800 Ом) резисторов. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с шиной (4) источника питания через первый (5) и второй (6) сравнительно низкоомные двухполюсники нагрузки, входной транзистор (7) буферного усилителя, эмиттер которого подключен к выходу (8) ДУ и токостабилизирующему двухполюснику (9), при этом приращение напряжения на втором (3) токовом выходе ДК (1) передается на выход (8) ДУ. В схему введено дополнительное токовое зеркало (10), вход которого соединен с первым (2) токовым выходом ДК (1), выход подключен ко второму (3) токовому выходу ДК (1), а общий эмиттерный выход дополнительного токового зеркала (10) соединен с эмиттером входного транзистора (7) буферного усилителя. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах).
В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Однако SiGe технический процесс SGB25VD, внедряемый в настоящее время российскими предприятиями для производства РЭА нового поколения, не обеспечивает возможности построения схем с p-n-p транзисторами. Это не позволяет применять традиционные активные нагрузки в ОУ СВЧ-диапазона. Как следствие, в качестве элементов коллекторной цепи входного каскада ОУ разрешается использовать только пассивные элементы - резисторы [1-25]. В конечном итоге это требование ограничивает Ку входного дифференциального каскада и ОУ в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте Франции фирмы Simens №2409640, fig.1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с шиной 4 источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, входной транзистор 7 буферного усилителя, эмиттер которого подключен к выходу 8 дифференциального усилителя и токостабилизирующему двухполюснику 9.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации двухполюсников нагрузки 5 и 6 в виде резисторов его коэффициент усиления получается небольшим.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8-20 раз коэффициента усиления по напряжению при выполнении двухполюсников нагрузки в виде сравнительно низкоомных (600-800 Ом) резисторов.
Дополнительная цель - расширение частотного диапазона и уменьшение э.д.с. смещения нуля (Uсм).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с шиной 4 источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, входной транзистор 7 буферного усилителя, эмиттер которого подключен к выходу 8 дифференциального усилителя и токостабилизирующему двухполюснику 9, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено дополнительное токовое зеркало 10, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а общий эмиттерный выход 11 дополнительного токового зеркала 10 соединен с эмиттером входного транзистора 7 буферного усилителя.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, приведена на фиг.2. На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 - фиг.5 показаны схема ДУ-прототипа (фиг.4) и схема заявляемого ДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.6 - амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5). Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомных двухполюсников нагрузки 5 и 6 (R5=R6=700 Ом), коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается более чем на порядок (на 27,6 дБ) в сравнении с Ку известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
На фиг.7 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем (фиг.4 и фиг.5) при 100% отрицательной обратной связи. Из этих чертежей следует, что известный ДУ при 100% обратной связи имеет коэффициент передачи Кп=-1 дБ, что обусловлено сравнительно небольшим его усилением в разомкнутом состоянии. В то же время предлагаемый ДУ при емкости коррекции между узлами 2 и 3 (Скор=7 пФ) имеет Кп=1 (или «0» дБ) до частоты 2,8 ГГц.
На фиг.8 показана температурная зависимость э.д.с. смещения нуля (Uсм) сравниваемых схем фиг.4 и фиг.5. Анализ этой зависимости свидетельствует о том, что предлагаемый ДУ имеет более чем на порядок меньшие значения Uсм.
На фиг.9 приведена схема ДУ фиг.3 в среде Cadence, а на фиг.10 - зависимость ее верхней граничной частоты (по уровню - 3 дБ) от емкости дополнительного конденсатора 15, который вводится в схему в соответствии с п.2 формулы изобретения. Введение данного конденсатора 15 расширяет полосу пропускания ДУ в 4-5 раз, что не наблюдается в классических схемах.
На фиг.11 показаны амплитудно-частотные характеристики ДУ фиг.9 при разных значениях емкости конденсатора 15.
На фиг.12 приведены амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.9 в замкнутом (нижний график) и разомкнутом (верхний график) состоянии.
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с шиной 4 источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, входной транзистор 7 буферного усилителя, эмиттер которого подключен к выходу 8 дифференциального усилителя и токостабилизирующему двухполюснику 9. В схему введено дополнительное токовое зеркало 10, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а общий эмиттерный выход 11 дополнительного токового зеркала 10 соединен с эмиттером входного транзистора 7 буферного усилителя. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 12 и 13, а также двухполюснике 14.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен дополнительный конденсатор 15, включенный между первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и шиной 16 источников питания, причем емкость дополнительного конденсатора 15 определяется по формуле
С15≈С∑3-С∑2,
где С∑3>С∑2 - суммарная емкость в цепи второго 3 токового выхода входного дифференциального каскада 1;
С∑2 - суммарная емкость в цепи первого 2 токового выхода входного дифференциального каскада 1.
На схеме фиг.3 обозначено:
Скб.7 - емкость коллектор-база транзистора 7;
С13 - емкость между входом и эмиттерным выходом токового зеркала 10;
С2 - емкость на подложку транзистора 12;
С3 - емкость на подложку транзистора 13;
CR - емкость двухполюсника нагрузки 6;
С23 - выходная емкость токового зеркала 10.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
В статическом режиме коллекторные токи (Iкi) транзисторов 12, 13 и 7 устанавливаются двухполюсниками 14 и 9:
где I0=I9=I14/2.
Через двухполюсники нагрузки 5 и 6 протекают статические токи, равные 2I0.
Определим коэффициент усиления по напряжению схемы фиг.2.
Если на вход Вх.(+)1 подается напряжение uвх, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 13 и уменьшение коллекторного тока транзистора 12. Как следствие, напряжение на токовом выходе 3 увеличивается. При этом приращение из передается на выход 8, а затем через общий эмиттерный выход 11 в узел 2. Следует обратить внимание на то, что в заявляемой схеме вследствие ее структурных особенностей обеспечивается равенство переменных напряжений
Изменение u2 приводит к изменению тока i2 через эквивалентное сопротивление r2 в цепи первого 2 токового выхода входного дифференциального каскада 1:
где r2=R5||Rвых.2||Rвх.10,
R5 - сопротивление двухполюсника нагрузки 5;
Rвых.2 - выходное сопротивление входного дифференциального каскада 1 по первому 2 токовому выходу;
Rвх.10≈∞ - эффективное входное сопротивление токового зеркала 10.
Причем
где r12=rэ13=2φт/I14 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 12, 13;
µ12≈10-3 - коэффициент внутренней обратной связи транзистора 12.
Приращение тока i2 поступает на вход токового зеркала 10 и далее на его выход - в цепь второго 3 токового выхода входного дифференциального каскада 1.
Поэтому в узле 3 происходит взаимная компенсация тока через r3 током через r2. При этом разностный ток в узле «А»:
где Ki12 - коэффициент передачи по току токового зеркала 10;
r3 - эквивалентное сопротивление в узле «А»;
rвх.7 - входное сопротивление буферного усилителя 7.
Если в частном случае выбрать r2=r3 и Ki12=1, то эквивалентное сопротивление в узле 3 (R3.экв), влияющее на Ку, будет определяться сопротивлением нагрузки Rн, приведенным к базе транзистора 7.
Поэтому коэффициент усиления по напряжению предлагаемой схемы не зависит от сопротивлений двухполюсников 5 и 6, которые могут быть достаточно низкоомными:
где rэ=φт/Iэi;
φт=25 мВ - температурный потенциал;
Iэi - статический ток эмиттера транзисторов 12 и 13.
Таким образом, в схеме фиг.2:
1. На один-два порядка уменьшается влияние сопротивлений двухполюсников нагрузки 5 и 6 на коэффициент усиления Ку по напряжению ДУ фиг.2.
2. Максимальный коэффициент усиления по напряжению Ку.mах схемы фиг.2 определяется свойствами нагрузки ДУ, подключаемой к выходу 8.
3. Входные и выходные импедансы токового зеркала 10 практически не влияют на Ку, так как токи через них не изменяются в связи с тем, что u2=u3=uвых.
В результате предлагаемое схемотехническое решение улучшает более чем на порядок Ку.max, причем это обеспечивается при использовании низкоомных резисторов в качестве двухполюсников 5 и 6 (R5=R6=700 Ом), а также при низковольтном напряжении питания (±2 В).
Представленные на фиг.6, фиг.12 графики подтверждают данные теоретические выводы.
Дальнейшим развитием схемы фиг.2 является схема фиг.3, соответствующая п.2 формулы изобретения. Ее особенность - расширение полосы частот (улучшение частотных характеристик Ку=φ(f)) за счет введения конденсатора 15, емкость которого рассчитывается по формуле
где С∑3>С∑2 - суммарная емкость в цепи второго 3 токового выхода входного дифференциального каскада 1;
С∑2 - суммарная емкость в цепи первого 2 токового выхода входного дифференциального каскада 1.
Как уже отмечалось, основная особенность схем фиг.2 и фиг.3 - равенство напряжений в узлах 2, 3 и 8:
где 
- комплекс напряжений в i-м узле схемы.
Как следствие, переменная составляющая тока через емкость С2∑<С3∑ компенсирует переменную составляющую тока через емкость С3∑. Однако эта компенсации без введения конденсатора 15 будет неполной, так как С3∑ складывается не только из емкости двухполюсника 6 (СR), емкости на подложку транзистора 3 (С3), выходной емкости токового зеркала 10 (С23.эф≈0), но емкости Скб.7 транзистора 7, а также емкости нагрузки Сн, пересчитанной в цепь базы транзистора 7 в виде 
. Таким образом, без конденсатора 15 выполняется неравенство
Поэтому «искусственное» увеличение эквивалентной емкости в узле 2 создает условия для расширения полосы частот ДУ более чем в 4-5 раз (фиг.10, фиг.11). В результате введения конденсатора 15 в схеме фиг.3 реализуется равенство
Заметим, что в традиционных схемах введение шунтирующего конденсатора 15 параллельно любым цепям передачи сигнала привело бы к сужению полосы пропускания ДУ.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по сравнению с известным по коэффициенту усиления по напряжению Ку, частотному диапазону и напряжению смещения нуля.
Литература
1. Патент Франции №2409640
2. Патент США №5.886.577
3. Патент Англии GB 2008883
4. Патентная заявка США US 2009/108882, fig.3
5. Патент Японии JP 54079553
6. Патент WO 9621271
7. Патент США №4276485
8. Патентная заявка US 2006/0181347, fig.2
9. Патентная заявка WO 2009/042474A2, fig.5
10. Патент США №6.396.346
11. Патент США №4.001.608, fig.1
12. Budyakov, A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков. / Под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.
13. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.
14. S.P.Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz," IEEE BCTM, pp.1-8, Oct.2006.
15. Патент США №4.274.394, фиг.2
16. Патент США №3.619.797
17. Патент США №3.622.902
18. Патент США №3.440.554
19. А.св. СССР №299013
20. Патент Англии №1.175.329, Н3Т
21. Патент США №3.304.512
22. Патент США №4.371.93
23. А.св. СССР №421105
24. А.св. СССР №764100
25. А.св. СССР №669471
Claims (2)
1. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с шиной (4) источника питания через первый (5) и второй (6) сравнительно низкоомные двухполюсники нагрузки, входной транзистор (7) буферного усилителя, эмиттер которого подключен к выходу (8) дифференциального усилителя и токостабилизирующему двухполюснику (9), при этом приращение напряжения на втором (3) токовом выходе входного дифференциального каскада (1) передается на выход (8) дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в схему введено дополнительное токовое зеркало (10), вход которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), выход подключен ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), а общий эмиттерный выход (11) дополнительного токового зеркала (10) соединен с эмиттером входного транзистора (7) буферного усилителя.
2. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по п.1, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный конденсатор (15), включенный между первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и шиной источников питания, причем емкость дополнительного конденсатора (15) определяется по формуле
C15≈C∑3-C∑2,
где C∑3>C∑2 - суммарная емкость в цепи второго (3) токового выхода входного дифференциального каскада (1);
С∑2 - суммарная емкость в цепи первого (2) токового выхода входного дифференциального каскада (1).
C15≈C∑3-C∑2,
где C∑3>C∑2 - суммарная емкость в цепи второго (3) токового выхода входного дифференциального каскада (1);
С∑2 - суммарная емкость в цепи первого (2) токового выхода входного дифференциального каскада (1).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009138961/09A RU2416146C1 (ru) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009138961/09A RU2416146C1 (ru) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2416146C1 true RU2416146C1 (ru) | 2011-04-10 |
Family
ID=44052239
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009138961/09A RU2416146C1 (ru) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2416146C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467471C1 (ru) * | 2011-10-18 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
| RU2520418C2 (ru) * | 2012-09-13 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Управляемый избирательный усилитель |
| RU2525744C1 (ru) * | 2013-01-23 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном |
| RU2624585C1 (ru) * | 2016-03-18 | 2017-07-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель |
-
2009
- 2009-10-21 RU RU2009138961/09A patent/RU2416146C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467471C1 (ru) * | 2011-10-18 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
| RU2520418C2 (ru) * | 2012-09-13 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Управляемый избирательный усилитель |
| RU2525744C1 (ru) * | 2013-01-23 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном |
| RU2624585C1 (ru) * | 2016-03-18 | 2017-07-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9973198B2 (en) | Telescopic amplifier with improved common mode settling | |
| RU2364020C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу | |
| Shahsavari et al. | A new frequency compensation method based on differential current conveyor | |
| RU2416146C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления | |
| CN102545806A (zh) | 差动放大器 | |
| RU2413355C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2390916C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель | |
| US11658626B2 (en) | Split miller compensation in two-stage differential amplifiers | |
| RU2432667C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2321158C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2396698C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2383099C2 (ru) | Дифференциальный усилитель с низкоомными входами | |
| RU2365029C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2416147C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления | |
| RU2419193C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2374757C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2459348C1 (ru) | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления | |
| CN106712731B (zh) | 一种运算放大器 | |
| RU2331972C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению | |
| Prokopenko et al. | Methods of increasing voltage gain of the low-voltage classical stages | |
| RU2449466C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель | |
| RU2416148C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления | |
| Shen et al. | A 1.2 V fully differential amplifier with buffered reverse nested Miller and feedforward compensations | |
| Dadashi | Modified telescopic amplifier with improved DC gain in 0.18 µm CMOS process | |
| RU2444114C1 (ru) | Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131022 |